книги / Приборы и средства учета природного газа и конденсата

ния (17) и (18), получаем удобные для практических расчетов формулы расхода газа, выраженные через модуль т сужаю­ щего устройства и внутренний диаметр d измерительного тру­ бопровода:

в килограмм-силах на квадратный сантиметр, Tt — в кельвинах. Для расчета сужающего устройства формула (24) может

рез сужающее устройство, м3/ч; Лрщ, — предельное (максималь­ ное) значение перепада давления на сужающем устройстве, со­

ответствующее <Эн.пр, кгс/см2.

Важным параметром сужающего устройства является без­ размерный коэффициент р, называемый относительным диамет­ ром сужающего устройства и равный отношению диаметра от­ верстия сужающего устройства (в свету) d к внутреннему диа­ метру трубопровода D, т. е.

P=rf/D.

При правильно выбранном сужающем устройстве коэффи­ циент р не должен выходить за пределы 0,2—0,75.

Как видно из рис. 1, б, давление рч за сужающим устрой­ ством отличается от прежнего значениея р / на значение необ­ ратимых потерь давления рт т. е. Рч—Р \—Ра-

Потери давления происходят за счет потерь энергии потока газа в сужающем устройстве и зависят в основном от степени сужения потока и геометрии сужающего устройства. При плав­ ном изменении сечения на входе и выходе сужающего устрой­ ства (сопло Вентури) эти потери минимальны, а при крутом (диафрагма) — максимальны. Потеря давления всегда меньше перепада давления (рис. 1, б), так как после сужающего уст­

11

газа весьма выгодно на пунктах учета газа магистральных га­ зопроводов, так как при этом существенно повышается к.п.д.

максимальных потерь давления рПтах для выбранного типа и модуля сужающего устройства т, а также предельного перепа­

сужающем устройстве, определенный по рис. 2; Арщ, — предель­ ный перепад давления дифманометра, кгс/см2.

Так, при предельном перепаде давления Дрпр на сужающем устройстве с модулем т = 0,2, равном 0,63 кгс/см2, максималь­ ные необратимые потери давления, определенные по формуле (23), при использовании диафрагмы рп= 0,8-0,63=0,5 кгс/см2, сопла рп= 0,7-0,63=0,44 кгс/см2, сопла Вентури рп= 0,1-0,63= = 0,063 кгс/сме.

При выбранных условиях компрессорная станция, обеспе­ чивающая повышение давления газа в трубопроводе на 20 кгс/см2, расходует только на перекачку газа через сужаю­ щее устройство с диафрагмой (0,5: 20) • 100=2,5% своей мощ­ ности, с соплом (0,44:20) • 100=2,2%, с соплом Вентури (0,063:20)-100=0,32%.

Объем газа VB, м3, прошедшего через сужающее устройство за время /2—U, приведенный к нормальным условиям, может

12

быть определен интегрированием уравнений (17)— (19) по вре­ мени, т. е.

1.2. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

Природные газы нефтяных, газовых и газоконденсатных ме­ сторождений в основном аостоят из углеводородов: метана, этана, бутана, пропана, пентана, гексана, гептана. Из неугле­ водородных газов встречаются углекислый газ, азот, серово­ дород и редкие газы — гелий, аргон и др. [2, 3, 14]. Основной составляющей природных газов является метан, содержание которого колеблется от 70 до 95 об.%. Содержание остальных компонентов составляет, об.%: этана — до 3, пропана — до 3, бутана —до 3, пентана и высших — до 1, углекислоты — до 7, сероводорода —до 25, азота —до 15.

Помимо основных составляющих природного газа — метана, этана и др. — природные газы, проходящие через пункты учета газа, могут содержать пары углеводородного конденсата, со­ стоящие из паров бензина, керосина, лигроина, пары воды, метанола, диэтиленгликоля, механические примеси (песок, про­ дукты коррозии газопроводов и др.), частицы компрессорного масла, а также парафин. Примерный состав природных газов некоторых месторождений Советского Союза приведен в табл. 1.

При измерении расхода газа, а также при различных газо­ динамических расчетах газопроводов возникает необходимость определения ряда физико-химических свойств и параметров природного газа: плотности, вязкости, влажности и др., меня­ ющихся при изменении как состава газа, так и его давления и температуры.

Плотность газа. Отношение массы газа к занимаемому объе­

В связи с тем что газ является сжимаемой средой, разли­ чают плотность газа р„ при нормальных условиях и действи­ тельную плотность газа р при рабочем давлении и температуре.

мальных условиях отдельных компонентов природного газа и воздуха приведены в табл. 2. При непостоянстве давления и

13

Т а б л и ц а 1

Примерный состав (об. % ) по основным компонентам природных газов некоторых месторождений Советского Союза

Т а б л и ц а 2

температуры нельзя пренебрегать изменением действительной плотности газа.

Зависимость действительной плотности газа р от темпера­ туры Т и давления р определяется формулой

где рн — плотность сухого газа в нормальном состоянии при абсолютном давлении рн= 1,0332 кгс/см2 и температуре Тв= = 293,15 К, кг/м3; Z — коэффициент сжимаемости газа; Т — аб­ солютная температура газа, К; р — абсолютное давление газа, кгс/см2; р —действительная плотность газа, кг/м3.

14

Плотность смеси газов рНСм в нормальных условиях при известном объемном содержании газовых компонентов в смеси может быть определена по формуле

а1, 02, а*— объемное содержание газовых компонентов в сме­ си, %; рН1, рН2, Рн< — плотность при нормальных условиях от­ дельных газовых компонентов смеси, кг/м3.

Значение плотности, критических параметров и показателя адиабаты природных газов и воздуха приведены в табл. 2.

В ряде случаев используется относительная плотность газа, являющаяся безразмерной величиной и характеризующая плот­

где рн и р — относительные плотности измеряемого газа при нормальных и рабочих условиях, кг/м3; рн — плотность изме­ ряемого газа при нормальных условиях, кг/м3; рнв — плотность воздуха при нормальных условиях, равная 1,292 кг/м3; р — плотность газа при рабочих условиях, кг/м3; рв— плотность воздуха при давлении и температуре, соответствующих их зна­ чениям при рабочих условиях газа, кг/м3. Подставив значения действительной плотности газа и воздуха, определяемые выра­ жением (31), в формулу (34), получаем значение относитель­ ной плотности измеряемого газа по воздуху в рабочих усло­ виях:

где Z и ZB— коэффициенты сжимаемости измеряемого газа и воздуха, определяемые при рабочей температуре и давлении.

Критические и приведенные температура и давление при­ родных газов. Давление и температура, при которых происхо­ дит непрерывный самопроизвольный переход газа из газооб­ разного состояния в жидкое, и наоборот, при равенстве их плот­ ностей, называются критическими. При температуре ниже кри­ тической газ превращается в жидкое состояние, а выше — в газообразное. Понятие о критической температуре было впервые введено Д. И. Менделеевым в 1861 году. В своем исследова­ нии Д. И. Менделеев назвал критическую температуру тем­ пературой абсолютного кипения жидкости, при которой исче­ зают силы сцепления между молекулами жидкости, и она пре­ вращается в пар независимо от давления и удельного объема. При критических температурах и давлениях исчезает всякое различие между жидкостью и паром. Критические температуры и давления различных газов приведены в табл. 2.

15

Для природных газов, представляющих собой смесь отдель­ ных компонентов, абсолютные критические температуры и дав­ ления определяются как среднекритические (псевдокритические) по формулам

отдельных компонентов, К; Ркр\, Ркр2, .... Ркр; — абсолютные кри­ тические давления отдельных компонентов, МПа; аи а2, ....

Д;—процентное содержание отдельных компонентов в смеси, об. %.

Приведенной температурой ГПр называется отношение абсо­ лютной температуры газа к его абсолютной критической тем­

где Т — абсолютная температура газа, К; t — температура газа, °С; 7кр— абсолютная критическая температура газа, К.

Приведенным давлением рпр называется отношение абсо­ лютного давления газа к его абсолютному критическому дав­ лению:

где р — абсолютное давление газа, МПа; ркр — абсолютное кри­ тическое давление газа, МПа.

Приведенные температура и давление используются для определения коэффициентов сжимаемости и вязкости природ­ ных газов различного состава. При этом исходят из того, что два газа различного состава находятся в соответственных со­ стояниях, если они имеют одинаковые приведенные темпера­ туру и давление. Считают, что газы или смеси газов, у которых приведенные температуры и давления равны, имеют равные или близкие значения коэффициентов сжимаемости.

Критические давления и температуры смеси углеводород­ ных газов, иногда называемые псевдокритическими давлениями и температурами, могут быть определены по следующим фор­ мулам в зависимости от плотности при нормальных условиях этой смеси рн.см-

Для смеси углеводородных газов, не содержащих углекис­ лый газ и азот, критические давления и температура опреде­

7^=87,5+155,24 рн.СМ.

При наличии в смеси углеводородных газов углекислого газа и азота формулы (40) и (41) принимают вид

В формулах (40)— (43) ркр— критическое (псевдокритическое) давление смеси газов; Ткр — критическая (псевдокритическая) температура газовой смеси, К; рн.см— плотность смеси газов при нормальных условиях, кг/м3; N2 и С02 — объемная концентрация в газовой смеси азота и углекислого газа (в до­ лях единицы).

При практических расчетах параметров газа с использова­ нием приведенных температур и давлений часто возникает не­ обходимость перевода этих величин в абсолютные температуры

идавления и обратно.

Сцелью упрощения указанных расчетов в табл. 3 приве­ дены соотношения между приведенными давлениями и темпе­

ратурами и их абсолютными значениями для метана. С допу­ стимой точностью эта таблица может быть использована идля определения абсолютных температур и давлений большинства природных газов с содержанием метана более 85%.

Сжимаемость газов. Природные газы являются сжимае­ мыми средами. Однако они, как и другие газы, являются реаль­ ными газами и их сжимаемость не точно характеризуется за­

Коэффициент сжимаемости газов является безразмерной ве­ личиной. Коэффициенты сжимаемости различных газов опре­ делены экспериментально. Зависимости коэффициентов сжимае­ мости отдельных газов от температуры и давления показаны на рис. 3. Зависимость коэффициента сжимаемости смеси при­ родных углеводородных газов от приведенных температуры и давления показана на рис. 4.

Как видно из рис. 3, а, коэффициент сжимаемости метана при изменении температуры в пределах от —50 до +100°С и

весьма удобна, так как по ней может быть определен коэффи­ циент сжимаемости любой смеси углеводородных газов без не­ обходимости использования отдельных графиков для состав­ ляющих компонентов газовой смеси.

Для определения коэффициента сжимаемости природного газа по графикам, приведенным на рис. 4, необходимо предва­

ратуру Гпр и давление рпр по формулам (40) и (43). Коэффициент сжимаемости смеси газов, какой являются

природные углеводородные газы, может быть определен путем нахождения коэффициентов сжимаемости отдельных компонен­ тов по графикам, приведенным на рис. 3, с последующим на­ хождением коэффициента сжимаемости смеси газов. В этом случае коэффициент сжимаемости ZCM смеси газов определя­ ется в зависимости от процентного содержания отдельных га­ зовых компонентов по формуле

18

где а,, а2, ..., Л,— процентное содержание отдельных компонен­ тов в смеси, %; Z\, Z2 Z, — коэффициенты сжимаемости от­ дельных компонентов. Коэффициенты сжимаемости природных углеводородных газов с содержанием метана более 90% с до­ статочной степенью точности могут быть приняты равными коэффициенту сжимаемости чистого метана, определяемого по графикам, приведенным на рис. 3.

Графики Z —f(p, Т) тяжелых углеводородных газов (этана, бутана, пропана, пентана и др.), приведенные на рис. 3, даны для области существования их в газообразном состоянии. При больших давлениях и более низких температурах значительная часть этих компонентов переходит в жидкую фазу, а в газовой фазе их процентное содержание резко уменьшается. Поэтому при расчете коэффициента сжимаемости смеси газов ZCMтакие компоненты будут мало влиять на его значение и в формуле (45) их можно не учитывать, принимая at= 0.

Коэффициент сжимаемости природных углеводородных газов с плотностями при нормальных условиях рн в диапазоне от 0,55 до 0,90 кг/мэ в зависимости от приведенных температур и дав­ лений может быть также определен аналитически по следую­ щей формуле:

где Ви В2, @2 — безразмерные коэффициенты, определенные по нижеприведенным формулам; Тс, рс— усредненные приведен­ ные температура и давление смеси газов:

Коэффициент F в формуле (51) зависит от диапазона из­ менения величин рс и Тс. При 0,0147<рс<1,3 и 0 ,8 4 ^ 7С< 1,09 коэффициент Fi определяется выражением

Fi = 1—75- 10~5рс (р’-3[2 — е~2°(».оэ—тс)] _j_

a

z

VO

Рис. 3. Зависимость коэффициентов сжимаемости основных компонентов природного

а — метан; 6 — азот; в — пропан; г — бутан; д — углекислый газ; е — этан; ж — пен-

При 0,0147^рс^ 2 и 1,09<Тс^ : 1,4 коэффициент Fa опре­ деляется формулой

F2 = 1 — 10-3рс2[0,75рс-3е-20<тс -».«» +

20